Особенности использования согласующих трансформаторов в фильтро-компенсирующих устройствах последовательного типа

Тип работы:
Реферат
Предмет:
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ


Узнать стоимость

Детальная информация о работе

Выдержка из работы

УДК 621. 316. 7
ОСОБЕННОСТИ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ СОГЛАСУЮЩИХ ТРАНСФОРМАТОРОВ В ФИЛЬТРО-КОМПЕНСИРУЮЩИХ УСТРОЙСТВАХ ПОСЛЕДОВАТЕЛЬНОГО ТИПА
© 2012
В. А. Апарин, младший научный сотрудник кафедры «Промышленная электроника» А. А. Шевцов, кандидат технических наук, доцент, заведующий кафедрой «Промышленная электроника»
Тольяттинский государственный университет, Тольятти (Россия)
Ключевые слова: качество питающей сети- энергетика- регулирование напряжения- активный фильтр- имитационное моделирование- трансформатор.
Аннотация: Статья посвящена вопросу управления стабильностью питающего напряжения промышленных сетей электроснабжения. Рассматривается вопрос влияния параметров согласующих трансформаторов на качество регулирования напряжения. Предлагаются критерии для выбора параметров трансформатора в зависимости от параметров нагрузки. Рассматривается имитационная модель регулятора напряжения.
Управление параметрами кривой сетевого напряжения, питающего электротехнологическое оборудование с целью приведения на стороне потребителя к параметрам, регламентируемым ГОСТ 13 109–97, до сих пор является не до конца решённой задачей. Фильтрорегулирующая аппаратура, направленная на её решение, образует отдельный класс устройств. Наиболее универсальными устройствами в данном классе являются последовательные активные фильтры. Они позволяют регулировать не только амплитуду основной гармоники, но и спектральный состав напряжения в сети электроснабжения, при этом обладая существенно меньшими массогабаритными показателями и повышенным КПД по сравнению с большинством устройств в данном классе [1 — 5]. Это обусловлено тем, что они генерируют только компенсационное воздействие на высшие гармонические составляющие, провалы и превышения напряжения. Однако при разработке подобных устройств возникают определённые проблемы схемотехнического плана, связанные с особенностями работы выходного трансформатора.
Типовая структура последовательного фильтрокомпенсирующего устройства показана на рис. 1.
Рис. 1. Схема испытания трансформатора.
Здесь: Generator — управляемый источник напряжения, в роли которого может выступать инвертор напряжения, выходное напряжение которого подаётся на исследуемый согласующий трансформатор Linear Transformer. Другая обмотка этого трансформатора подключена последовательно с нагрузкой активно-индуктивного характера Load и источником напряжения Network, имитирующим питающую промыш-
ленную сеть. Для примера, в статье рассматривается промышленная сеть переменного тока частотой 50 Гц и напряжением 220 В. Кривая питающего напряжения полученная при работе реальной сети электроснабжения представлена на рисунке 2. Будем использовать эту кривую при моделировании.
Рис. 2. Питающее напряжение сети.
Выходной трансформатор, применяемый в этой схеме, должен обладать одновременно характеристиками трансформатора тока — иметь минимальное падение напряжения для обмотки 2, и трансформатора напряжения для обмотки, подключённой к источнику компенсирующего воздействия (Generator), с целью возможности регулирования напряжения в нагрузке. Данная задача не является тривиальной. Рассмотрим вариант её решения с применением имитационных моделей.
При разработке генерирующих устройств, к которым относится и ФКУ, вопрос влияния параметров элементов электрической схемы на выходной параметр является одним из важнейших. Одним из таких элементов является выходной развязывающий трансформатор. Как правило, устройства подобного класса имеют на выходе трансформаторы, рассчитанные непосредственно под конкретное устройство. Однако, методики, используемые для расчётов трансформаторов питания и связи не применимы при расчёте согласующих трансформаторов для последовательных активных фильтров.
Причина, по которой традиционные методики не подходят для расчетов, заключается в том, что при их использовании, трансформаторы рассчитывают на работу на одной частоте, при этом не учитывают искажения, вносимые в форму напряжения трансформатором на гармониках с большими номерами относительно основной. Применительно к генерирующим устройствам это является критичным, так как форма напряжения на выходе этих устройств, как правило, отличается от синусоидальной или же может изменяться в процессе работы из-за непостоянства спектрального состава сетевого напряжения. Искажения формы напряжения на вторичной обмотке относительно расчетных должны отсутствовать или задаваться исходя из требуемой величины коэффициента гармоник. Однако, в настоящее время, в большинстве случаев для задания степени искажения напряжения используют значение коэффициента полезного действия.
Рассмотрим типичную упрощенную схему замещения трансформатора, изображённую на рисунке 3.
Таблица 1. Изменяемые параметры модели трансформатора.
Наименование Описание Диа- пазон значений
Яп Сопротивление нагрузки —
Ln Индуктивность обмотки —
Я2=Я1 Сопротивление вторичной (первичной) обмотки трансформатора 0−0. 2Яп
L2=L1 Индуктивность вторичной (первичной) обмотки трансформатора 0−0^п
Исследуемые параметры на нагрузке — действующее напряжение и коэффициент несинусоидальности. При выборе оптимальных значений будем считать, что согласно ГОСТ 13 109–97, основная гармоника напряжения в сети электроснабжения должна отличаться от эталонной 220 В не более чем на 5 — 10%, а коэффициент искажения несинусоидальности должен быть не более 8−12%.
Промоделировав работу системы, изображённой на рисунке 1, построим поверхности, отображающие зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от соотношений L2/Ln и К2/Кп на рисунке 4 и зависимость коэффициента несинусоидальности напряжения на нагрузке от L2/Ln и К2/Яи на рисунке 5.
Рис. 3. Схема замещения трансформатора в Iatlab 8іпшІіпк.
Здесь Ю, Ы, Ї12, Ь2 — сопротивления и индуктивности первичной и вторичной обмоток трансформатора соответственно. Кт, Ьт — сопротивление и индуктивность подмагничивания.
Рассмотрим влияние параметров трансформатора на выходную форму напряжения на вторичной обмотке, включенной последовательно между нагрузкой и питающей сетью с учётом того, что напряжение сети, питающее нагрузку содержит высшие гармоники и, следовательно, может привести к несинусоидальным изменениям токов и напряжений в системе
Будем считать, что Кп, Ьп — сопротивление и индуктивность нагрузки. Соответствующие значения Ип=3,2 кОм, Ьп=18 мГн. Схема замещения трансформатора соответствует представленной на рисунке 2. Примем коэффициент трансформации равным 1. Тогда соотношение сопротивлений обмоток равняется 1/1, индуктивности обмоток также равны друг другу.
Сопротивление и индуктивность намагничивания трансформатора должны многократно превосходить значения соответствующих параметров для обмоток, в противном случае трансформатор будет вносить значительные искажения в форму выходного напряжения.
Будем рассматривать параметры напряжения на нагрузке в зависимости от изменений параметров модели трансформатора. Область изменения параметров трансформатора ограничим диапазоном 0−20% от значений параметров нагрузки, т.к. при дальнейшем увеличении разброса значений параметров обмотки трансформатора, существенная часть мощности, передаваемой в нагрузку, выделяется на трансформаторе в виде потерь.
Изменяемые параметры модели представлены в таблице 1.
Рис. 4. Зависимость действующего значения напряжения на нагрузке от параметров трансформатора, приведённых к параметрам нагрузки.
На рисунке 4 можно отметить практически линейную зависимость действующего напряжения на нагрузке от параметров обмоток трансформатора. При этом стоит отметить, что зависимость амплитуды действующего значения напряжения от сопротивления обмотки трансформатора Я2 выражена сильнее, чем зависимость от индуктивности обмотки трансформатора. Для численной оценки этой зависимости определим первые производные функций и= 1(Ь2/Ьп) и и= ^/Яп), как
Аи/АЯ2 = Ш (Я20, L20) — Ш (Я2 = 0. 2-Яп, L20) / / 0,2 = (210,489−159,7756) / 0,2 = 50,7134/0,2 = 253. 567,
Аи/АЬ2 = Ш (Я20, L20) — Ш (Я20, L2 = 0. 2^п) / / 0,2 = (210,489−210,2852) / 0,2 = 0,2038/0,2 = 1,019,
яг/яп
Рис. 5. Зависимость коэффициента несинусоидальности напряжения на нагрузке от параметров трансформатора, приведённых к параметрам нагрузки.
где AU/AR2, AU/AL2 — отношение изменений значения исследуемого параметра (действующего напряжения на нагрузке) на области исследования в зависимости от соответствующих параметров,
U (R2, L2) — значение действующего напряжения на нагрузке при соответствующих значениях R2, L2.
Видно, что скорость уменьшения величины действующего значения напряжения при изменении соотношения сопротивлений существенно выше, чем при изменении индуктивности по отношению к нагрузке.
На рисунке 4 отчётливо заметна область, выделенная 1, на которой значение коэффициента синусоидальности существенно меньше окружающих значений (0,2 — 0,3% против 1 — 3%). Данный эффект проявляется только при значениях R2? [0- 0. 35-Rn]. При дальнейшем увеличении R2 провал сглаживается и зависимость коэффициента несинусоидаль-ности от параметров обмоток трансформатора приобретает вид наклонной плоскости, аналогичной изображённой на рисунке 3. Однако при превышении R2 значения в 10% от Rn происходит существенное снижение амплитуды основной
гармоники напряжения на нагрузке. Поэтому мы не будем рассматривать эту область, т. к. её применение на практике не оправдано ввиду существенных потерь.
На основании зависимостей приведённых на рисунках 4, 5 можно сделать следующие выводы о влиянии параметров согласующего трансформатора на напряжение на нагрузке:
• Влияние изменения активного сопротивления обмоток трансформатора на величину действующего напряжения на нагрузке выше чем влияние индуктивности обмоток.
• Чтобы амплитуда напряжения нагрузки в точке подключения потребителя соответствовала требованиям ГОСТ 13 109–97 и не отличалась от заданного значения более чем на 5−10%, необходимо, чтобы сопротивление вторичной обмотки, подключённой к стороне нагрузки, составляло максимум 3 — 5% от сопротивления нагрузки.
• Основное влияние на значение коэффициента несинусо-идальности напряжения на нагрузке оказывает индуктивность обмоток трансформатора. Минимальное значение коэффициента несинусоидальности достигается при индуктивности вторичной обмотки, подключённой к стороне нагрузки в 10 — 11% от индуктивности нагрузки.
СПИСОК ЛИТЕРАТУРЫ
1. Агунов А. В. Улучшение электромагнитной совместимости в автономных электроэнергетических системах ограниченной мощности методом активной фильтрации напряжения. // Электротехника, 2003, № 6, с. 52 — 56
2. Баркан Я. Д. Автоматизация регулирования напряжения в распределительных сетях. М.: Энергия, 1971. 231 с.
3. Гордеев Б. Н., Анисимов Я. Ф. Анализ энергетических показателей автономных систем с полупроводниковыми преобразователями // Техн. электродинамика, 1987 № 4, с. 44 — 46
4. Зиновьев Г. С., Вентильные компенсаторы реактивной мощности, мощности искажений и мощности несимме-трии на базе инвертора напряжения // Современные задачи преобразовательной техники. Киев: Наукова думка, 1975, с. 247 — 252.
5. Розанов Ю. К., Рябчицкий М. В. Современные методы улучшения качества электроэнергии (аналитический обзор) // Электротехника, 1998, № 3, с. 10 — 17
FEATURES OF THE MATCHING TRANSFORMER IN A SERIES TYPE FILTER
COMPENSATING DEVICES
© 2012
VA. Aparin, junior researcher of the chair «Industrial electronics» A.A. Shevtsov, candidate of technical sciences, associate professor, head of the chair «Industrial electronics»
Togliatty State University, Togliatty (Russia)
Keywords: quality of supply network- energetics- voltage regulation- active filter- simulation- transformer.
Annotation'-. The article is devoted to control the stability of the supply voltage industrial power supply networks. Considered question of the influence of parameters on the quality of matching transformers voltage regulation. Proposed criteria for choosing the parameters of the transformer, depending on the load parameters. We consider a simulation model of the voltage regulator.

ПоказатьСвернуть
Заполнить форму текущей работой